基于OBE 理念的PLC 仿真教學案例設計

申 康，李 熙，李慧馨，閆少明，何 維

（1.北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535011；2.北部灣大學 經濟管理學院，廣西 欽州 535011；3. 北部灣大學 海運學院，廣西 欽州 535011）

0 引言

“電氣控制及PLC 技術”是高校自動化類專業學生的必修核心課程。在新工科建設及應用型高校轉型的背景下，現有課程教學模式與時代發展需求不符的問題日益凸顯[1]。實踐部分的教學大都是利用各大科教儀器廠商生產的標準PLC 實驗臺進行，學生下載相關程序及通過外部預留的端口接插線路的方式完成相關實驗。這種方式下學生處于被動學習狀態，難以把握整體系統，更沒有培養各專業課程聯合應用的實際工程能力。

成果導向教育（Outcome based education，OBE）理念是為迎接新工業革命的挑戰及工程教育的需求而衍生的教育改革理念，其核心內容由目標成果及達成的途徑或條件兩部分組成[2]。案例教學法以案例為基礎將理論與實踐相結合，涵蓋專業基礎知識和實際應用需求，強調學生的積極參與，通過小組協作、階段答辯等方式增加學生與教師、學生與學生之間的互動和合作。

針對“電氣控制及PLC 技術”課程實踐教學中存在的不足，在我校自動化專業將基于OBE 教學理念的PLC 設計案例引入實踐教學環節中，以達到掌握電氣控制系統硬件設計及軟件編程能力，掌握組態軟件使用方法，能用組態軟件進行控制頁面設計和調試的基本能力。設計的教學案例視力保護監控系統涵蓋了“電氣控制及PLC 技術”課程的主要知識內容。該案例從教學目的與內容，系統工作原理及流程，程序設計及下載，組態王與PLC 通訊，案例仿真調試分析，案例教學考核及評價等過程對OBE 理念下的案例教學進行了詳細的解析。學生通過完成案例教學過程的各階段實踐訓練，來達到“電氣控制及PLC 技術”課程的預期教學目標。

1 教學案例目的與內容

1.1 教學案例目的

西門子S7-200 PLC 適應用于各種較小控制規模的系統中，能夠滿足不同環境下的監測與檢測[3]。在教學目的方面滿足控制系統程序及組態設計，根據流程圖建立仿真頁面并編寫梯形圖，然后通過編寫I/O 分配表與模擬量輸入輸出設計對系統進行仿真的培養要求。OBE 教育理念貫穿案例教學設計和實施的全過程，使學生掌握PLC 程序設計方法、PLC 之間及PLC 與模塊間的通信方法，進而掌握PLC 設計一般電氣控制系統的方法、技能，提高解決實際問題的能力，培養嚴謹、求實、創新的科學態度。

1.2 教學案例內容

圍繞PLC 項目開發的綜合課程教學中所涉及的開關量邏輯控制、過程和運動控制、模擬量過程和集中控制、數據信息處理及控制、網絡通信及遠程控制、電機變頻控制等相關應用技術，設計相應的PLC 仿真案例，引導學生以小組協作的形式進行文獻調研、完成仿真程序的設計調試、數據結果分析等工作，并采用小組討論答辯、教師點評驗收的方式對PLC 綜合設計內容的學習情況進行考核。

以PLC 的視力保護監控系統設計為教學案例，通過設置程序對光照強度以及人與書桌距離進行監控，采用超聲波距離傳感器以及光照傳感器采集數據，同時設置距離開關進行監測，調控人與書桌的距離，達到視力保護的目的。教學案例實驗根據整體的設計過程可以劃分為工作原理分析、程序設計及下載、組態王與PLC 通訊、仿真調試分析等幾個不同的階段性預期成果（outcomes），成果檢驗可依據不同階段的目標完成度來評價。

2 案例教學的具體實施

根據以成果為導向的教育理念確立了案例教學的目的、內容及考核框架后，如何在具體的實踐教學環節中實現上述教學目標與內容，是教學設計環節中的重要考慮因素，更是案例教學效果保障的重要基礎，下面以基于OBE 教育理念的視力保護監控案例系統設計為例進行詳細分析。

2.1 案例工作原理及流程

（1）教學目標

了解可編程控制器的定義、分類、功能、特點及發展應用歷程；掌握可編程控制器的基本組成和工作原理。了解S7-200 PLC 系統的基本構成、接口模塊和系統配置，學習使用PLC 進行系統開發，初步具備控制系統設計和開發的能力。

（2）教學和實踐內容

教學過程中學生要了解PLC 技術的功能特點：可靠性高、I/O 接口模塊多、結構模塊化、編程簡單等，可以極大地提高生產效率。通過合理應用PLC 技術，能在很大程度上減少自動化控制系統中常見的順序控制過程中的設備損耗，提高生產效率。

教學案例要求在研究視力保護的工作原理基礎上設計一套PLC 控制系統，其中涉及到的軟件為組態王Kingview 6.55，將個人電腦作為上位機運行組態王6.55 軟件，以PLC 作為控制器，通過程序控制設備的運行與啟停。這里涉及組態王軟件Kingview6.55 的相關知識點，其不僅可以實現監控畫面和現場模擬動畫功能，還可以實現現場實時數據分析，且穩定可靠[4]。

經過初步的框架設計，使學生掌握系統配置的相關功能，具備從系統視角開發項目的能力。通過STEP7-Micro/WIN V4.0 編寫梯形圖程序以及組態王6.55 進行組態控制動畫，算法在上位機組態王6.55 監控軟件內進行。監控系統中將通道數據與模擬量相對應并在上位機實現驗證，軟件工作流程圖如圖1 所示。

圖1 軟件工作流程圖

下位機PLC 控制程序采用STEP7- Micro/WIN 軟件，用梯形圖、語句表等編制的程序放在可編程存儲器中，最后采用數字或者模擬輸入，執行邏輯運算[5]。將其安裝在電腦可以直接運行并編程仿真，在線或離線都可以開發用戶所需要的程序系統，在運行時實時監控用戶程序的執行狀態，軟件安全性和兼容性高，能有效保障程序代碼的安全。學生通過簡單的學習能夠入門使用并進行操作，這對于激發學生的學習熱情、提升自信有極大的幫助。

2.2 程序設計及下載

（1）教學目標

基礎儲備為S7-200 PLC 的數據類型和格式、存儲器的劃分和地址表示、尋址方式、用戶程序結構及規則。進階掌握的為S7-200 PLC 基本指令、功能及編程方法。掌握電氣控制電路分析方法及原理圖的設計方法。

（2）教學和實踐內容

根據視力監控保護要求進行程序設計，最后將程序下載到PLC 里，以光照強度控制及距離報警為例，設計好的梯形圖如圖2 所示。本環節著重考察電氣控制基礎及PLC 基本指令及程序設計相關知識，要求學生掌握相關功能指令及編程方法，其中涵蓋了PLC的數據類型、尋址方式及用戶程序結構等相關基礎知識。視力保護監控系統采用光照傳感器進行光照強度檢測，光照傳感器采集的信號經過光照變送器傳入S7- 200 PLC 模擬量入口AIW6，經過轉化計算后利用比較開關把光照強度控制在正常的范圍內。距離監測采用距離傳感器檢測實現，采集的信號輸入S7-200PLC 模擬量入口AIW4，經過轉化計算后利用比較開關把距離控制在30 ～40 cm 之間。

圖2 光照與距離報警梯形圖

將PLC 梯形圖下載到S7-200PLC 里，彈出頁面后點擊“下載”，然后通過查看電腦連接組態箱的端口位置，更改遠程地址，最后通過“設置PG/PC 接口”點擊選項選擇PC/PPI cable.PPI.1，點擊“Properties”之后進行端口設置，將通信選擇設置好后返回至通信界面，雙擊刷新之后出現PLC 的型號與通信地址，點擊連接它之后再點擊下載就完成梯形圖下載。這個小節的操作過程考察學生對仿真平臺使用的熟練程度以及發現問題解決問題的能力，讓學生對程序設計的整個流程及相關要點有更深層次的認知。

2.3 組態王與PLC 通訊

（1）教學目標

了解組態軟件的特點、結構及設計思路，了解項目管理器的結構功能及組成和使用，熟悉組態方法、S7 系列PLC 通信協議和通信網絡，掌握S7-200 PLC的通信指令。

（2）教學和實踐內容

組態王6.55 軟件基礎知識的教學實施可以通過學生自學、教師課前考核的方式來進行。比如其組成部分主要由工程管理器和畫面運行系統兩部分，工程管理器是組態王6.55 軟件的核心部分和開發系統，其主要功能是進行已建工程的搜索、添加、備份以及恢復等操作，這些可以通學生實際操作演示來進行考核。

在組態設計方面，考查學生的思維能力和發現問題解決問題的能力。檢測狀態的仿真圖是通過C 語言編寫腳本程序使仿真動畫依據相應設計進行聯動。按下按鈕開始檢測，讓學生設置位置上下限值，超聲波距離傳感器以及光照傳感器采集數據并計算出結果。接著讓學生對位置上下限值進行調整，以此來驗證未處于設定的安全位置范圍時的安全警報聯動功能是否正常。

在組態王與PLC 通訊的實踐教學方面，通常是先寫出腳本程序做出組態畫面然后再編輯程序，主要腳本程序最終都顯示在命令語言中，從而實現PLC與組態界面通訊[6]。對學生考查的主要內容包括傳感器的采集控制以及組態面板的有效控制，最終實現對學習環境中各項參數展開實時監測及調控的目標。通過設定硬件I/O 口來實現組態王與PLC 之間的通訊聯動，如圖3 所示，首先重新定義設備并將新設備地址設置為2，具體操作順序為：PLC→西門子→S7-200系列→PPI。將梯形圖下載到CPU226 之中，調試設備之后點擊主畫面，進入監控系統，通過從仿真畫面切換到view 點擊啟動按鈕，整個系統將會根據腳本程序的編寫進行組態仿真動畫。

圖3 PLC 通訊方式設置

2.4 案例仿真調試分析

（1）教學目標

培養調測及排障能力、綜合應用能力和實驗能力，兼顧培養學生獨立工作能力及在規定時間內完成工作的能力，為后續課程的學習、畢業設計及就業打下堅實的基礎。

（2）教學和實踐內容

在綜合應用能力方面，例如在光強自動調控設計環節中，燈光控制中的標準值的大小問題，可以讓學生自主查詢國標GB50034-2013《建筑照明設計標準》的規定中關于新建、改建和擴建的居住、公共和工業建筑環境的一般照度標準值，從而得知用于教學學習的教室課桌面的光照強度參考值為300 Lux，進而通過計算設定上下限使燈光隨著環境與時間的變化自動調節至合適的光照強度。

在調測及排障能力培養方面，例如進行距離及光強設定時，當人與書桌之間的距離過近或過遠時設置的電極是否能正常放電進行刺激作用；在檔位進行自動調節時，整個系統能否自動完成相關設定功能，使系統各項參數值處于設定范圍內，這些都是保障系統正常運行需要解決的問題。

如圖4 所示是某組學生完成設定任務后的仿真圖。按下開始檢測按鈕兩秒之后開始進行檢測，通過設置位置的上下限值與燈光的光照強度范圍，當參數不在設定范圍內時，則發出連續警報進行自動調控。而后模擬檢測了系統發生故障時，手動調節座椅以及燈光的模式，當不在規定值范圍內時座椅前方或后方電極放電并且蜂鳴器進行警報處理，提醒使用者進行相應調整，最終達到視力保護的目的。

圖4 監控測試完成頁面

3 案例教學考核及評價

根據OBE 教育理念，案例教學考核評價以最終的學習成果為導向，具體操作方式為對案例教學實踐過程的達成度進行考核。過程考核包括案例教學實施的四個步驟和現場簡單的答辯考查等，并根據綜合實驗結果給出實際操作成績，占總成績的50%；案例教學痕跡的最終體現為總結性的設計報告，內容包括整個案例教學過程涉及到的相關知識及操作，占30%；為了引導學生的創新性，設置10%的成績作為該項工作的獎勵；另外10%的成績為工作態度和紀律的考核標準。

通過案例教學的實踐訓練，結合現場簡單答辯考核和實驗報告提交等環節，使學生能夠熟掌握常用電子儀器的使用方法，并具備PLC 控制系統軟/硬件設計和調試的基本能力；掌握組態軟件的使用方法，能熟練使用組態軟件進行基本的控制頁面設計，提高綜合運用所學的理論知識獨立分析問題和解決問題的能力；能獨立撰寫規范的設計報告，進一步培養嚴謹的作風和科學的態度。

4 結語

優秀的案例設計及規則可以有效地激發學習興趣，增加學習的主動性。通過基于OBE 理念的教學案例設計引導學生進行思辨和評價，培養批判性思維和創造性思維能力，提高思維深度和廣度，提升學生的綜合素質和從理論知識到工程實踐應用的能力。

教學案例基于PLC 的視力保護監控系統涵蓋了“電氣控制及PLC 技術”課程的主要理論知識，首先進行了程序與組態設計，根據流程圖建立仿真頁面并編寫梯形圖，然后通過編寫I/O 分配表與模擬量輸入輸出設計對視力保護系統進行仿真。仿真結果表明控制系統及各個開關與報警指示皆能按照腳本程序進行工作，達到了預期要求。通過基于OBE 理念的PLC 設計進行仿真分析，有助于學生鞏固和拓展相關專業知識，了解PLC 控制技術在自動控制過程中的作用，直觀地感受程序對仿真結果的影響，使抽象的編程形象化，鍛煉學生的動手實踐能力，錘煉工程應用素養。